[김준성 교수 연구실] 초거대 각자기저항 현상 발견

Caption: (왼쪽) 위상 자성 반도체에서 나타날 수 있는 반금속-금속 전이 현상을 설명하는 모식도. 위상학적 마디선은 에너지와 운동량 공간에서 전자띠가 서로 만나는 지점이 선으로 이어진 것을 말한다. 이와 동시에 자성을 가질 경우에, 스핀의 방향이 변화할 때 달라지는 스핀궤도결합 에너지에 의해 반도체(왼쪽 위)와 금속(왼쪽 아래)의 두 가지 상태를 가질 수 있다. (오른쪽) 위상 자성 반도체 Mn3Si2Te6에서 나타나는 초거대 각자기저항의 크기를 다른 자성체와 비교한 그림. 위상학적 전자상태에 의해 나타나는 해당 현상은 다른 자성체에서 나타나는 각자기저항에 비해 그 크기가 월등히 크다. (삽도) Mn3Si2Te6의 결정 및 자성 구조.

[김준성 교수 연구실] 초거대 각자기저항 현상이 나타나는 자성 반도체 물질 발견

위상학적인 전자상태는 고체 물질의 전자구조가 뫼비우스의 띠처럼 꼬여진 구조를 가질 때 나타나는 전자상태로, 고체 물질의 물성을 깊이 이해하고 새로운 물성을 찾아내기 위한 열쇠로 여겨지고 있다. 최근 위상학적인 전자상태를 가지는 고체 물질에 대한 연구가 심화되면서, 자성과 위상학적 전자상태를 동시에 갖는 물질인 위상 자성체에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

물리학과 김준성 교수 연구팀은 한국원자력연구원 김규 박사, 서울대학교 양범정 교수, 연세대학교 김재훈 교수 연구팀을 비롯한 국내외 공동 연구진과 함께 자성을 띠는 반도체 물질에서 위상학적인 전자상태에 의한 초거대 각자기저항 현상을 최초로 발견했다. 연구진은 위상학적 전자상태가 전도띠 (conduction band) 또는 원자가띠 (valence band)에 존재하는 물질인 자성 위상 반도체의 개념을 제안했고, 이러한 물질에서는 스핀 방향을 외부자기장으로 조절하면 전류를 흐르거나 흐르지 못하게 조절할 수 있을 것으로 예상했다. 기존의 자성체에서 스핀의 방향을 바꾸었을 때 전류의 흐름이 일부 조절되는 경우는 있지만, 전류를 완전히 흐르거나 흐르지 못하게 조절하는 경우는 보고된 바가 없었다.

 이에 연구진은 해당 현상이 구현될 수 있는 실제 물질을 찾는데 집중했고, 연구진이 주로 연구하고 있던 2차원 물질인 반데르발스 물질에서 그 후보물질을 탐구했다. 그 결과, Mn3Si2Te6라는 물질에서 스핀 방향에 따라 위상학적 전자상태의 변화가 나타날 수 있음을 예측하였고, 합성된 단결정의 전도성이 자기장의 방향에 따라 10억 배 정도 급격하게 변화하는 것을 발견하였다. 또한 이러한 초거대 각자기저항 현상이 스핀 방향에 따라 유도되는 부도체-금속 상전이에 기인한다는 점을 이론적으로 규명하고, 자기장 방향에 따른 광학 특성 측정을 통해 이를 직접적으로 관측하였다.

이번에 발견된 자성 위상반도체의 초거대 각자기저항 현상은 향후 고도로 예민한 자기장 방향 감지나 스핀 정보의 관측에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 해당 물질이 가진 반도체 특성을 이용하여 전기장을 통한 전도특성 변화와 결합하면, 스핀과 전하의 자유도를 전기장과 자기장으로 동시에 조절하는 새로운 형태의 스핀 정보 소자로의 활용 가능성도 무궁무진하다.

이번 연구성과는 저명 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 49.962)’지에 11월 25일(한국시간) 온라인 게재됐다.